預制夾芯墻板熱工性能及溫度應力研究*

王若愚， 陳旭東， 邵 葉， 陸 也， 王運思， 劉 陟

(1.安徽建筑大學土木工程學院,安徽 合肥 230601，2.安徽晶宮綠建集團有限公司,安徽 阜陽 236001)

0 引 言

預制混凝土夾芯保溫墻板由內、外葉混凝土墻板、保溫層和連接件組成，由于可以做到承重、圍護、保溫一體化，具有優秀的防火和抗腐蝕性能，并且可以顯著降低建筑耗能，是未來建筑圍護體系的發展方向[1-3]。連接件的作用是將內、外葉混凝土墻板和中間保溫層連接在一起，是影響夾芯保溫墻體結構性能和保溫性能的重要因素。目前常用的連接件主要有金屬連接件和非金屬連接件，金屬連接件連接牢固，抗剪性能好。但是金屬材料熱傳導率較高，容易形成“冷熱橋”，從而增大建筑耗能。非金屬熱傳導較低但抗剪性能差，造價普遍較高[4]。隨著復合材料研究的不斷深入，新型FRP連接件的研發取得良好的進展，并且得到了逐步應用[5]。FRP連接件具有耐腐蝕性能優秀和強度較高的特點，使其成為連接件的理想材料。我國的預制復合墻體的研究剛處于起步階段，尤其是對FPR連接件的各種力學性能的研究尚不充分[6]。另外，夾芯保溫墻板在工作時受到室內外溫差的作用，墻體溫度分布不均勻，同時由于墻體內、外葉墻和保溫層之間材料性能的差異，各層墻體之間會出現不同程度的膨脹或者收縮，產生溫度應力。在墻體全壽命過程中，這種溫度應力的變化會對使連接件產生疲勞，強度降低，甚至存在斷裂的風險。研究不同材料連接件對墻板溫度場和應力場產生的影響，對確定我國未來連接件的發展方向具有重要的意義。通過ABAQUS有限元軟件對采用鋼筋連接件、不銹鋼連接件和GFRP連接件的非組合式墻體進行研究，得到不同材料的連接件對墻體保溫性能和溫度應力水平的影響，并依據得到的結果提出復合夾芯保溫墻板的設計建議。

1 工況分析

冬季，室外溫度較低，往往需要在室內采取供暖措施。在這個過程中，由于連接件的存在，會將屋內的熱度逐漸傳遞到室外，造成能源的浪費。用abaqus有限元軟件，對采用三種不同材料連接件的墻體建立三維瞬態熱耦合模型，計算其溫度場和溫度應力場。

2 模型建立

運用abaqus有限元分析軟件建立四個夾芯墻板模型，4個模型的尺寸均為1000mm×1000mm×300mm，其中內墻板厚度200m,保溫層材料為XPS(擠塑聚苯乙烯泡沫板)，厚度為50mm,墻板為厚度50mm的鋼筋混凝土板。

將不設連接件的墻體命名為SW-1,分別將布置鋼筋連接件，合金金屬連接件，GFRP連接件以及無連接件的夾芯保溫墻體命名為SW-2,SW-3,SW-4。每個模型連接件的數量為4根，即按照每4根/m2的標準布置，連接件的長度為120mm，直徑為8mm。

《民用建筑熱工設計規范》[7]GB50176規定了圍護結構的最低設計標準，規定圍護結構總熱阻大于1.13m2·K/W為合格，使用規范中的計算方法對4個墻體的熱阻進行計算，均滿足規范要求。具體計算結果參見表2。

2.1 材料參數

模型采用材料屬性按照表1設定。

表1 材料熱工以及熱力學參數表

2.2 溫度場設置

在冬季室內長時間使用供暖設施的情況下，室內可達溫度25℃，室外環境溫度-5℃，在此條件下保持72h，模擬不同材料連接件在長時間供暖情況下對墻體溫度場和溫度應力場的影響。設置墻體初始溫度為0℃。墻體內外表面與空氣存在“對流換熱”，據《民用熱工設計規范》的規定，設置外墻外表面空氣換熱系數為8.7 W·m-2·℃-1，外墻內表面換熱系數為23W·m-2·℃-1。

2.3 網格和邊界條件

墻體四周添加約束限制墻體長、寬兩個方向的位移?；炷羶韧馊~墻板和保溫層采用六面體溫度-位移耦合單元，網格大小為25mm，設置網格單元屬性為四面體溫度位移耦合。

(a)SW-2溫度分布圖 (b)SW-3溫度分布圖 (c)SW-4溫度分布圖

圖2 沿墻體方向溫度分布

圖3 沿墻體厚度方向應力分布

3 分析結果

3.1 溫度場分析

模擬得到了墻體內外的溫度分布以及熱流密度，依據規范提供的計算方法，計算試件熱阻得到數據見表2。由表2可見，模擬熱阻和實際熱阻接近，證明模型的可靠性。各個試件的溫度分布如圖1所示，提取各個試件距地面40cm處沿墻體方向的溫度繪制沿墻體方向溫度分布圖如圖2。

表2 各試件計算熱阻和模擬熱阻對比

觀察不同材料連接件處和同一水平高度墻體邊緣處的溫度可以發現，保溫層對墻體熱傳傳遞均起到良好的隔絕作用，其中試件SW-1墻體內表面溫度分布均勻為22.22℃。試件SW-2在連接件處形成嚴重的熱橋，造成了熱量的大量損失，其表面最大溫度位于墻體邊緣為21.44℃，正對連接件處表面溫度只有20.90℃，說明鋼筋連接件在對墻體溫度的影響上程度大、范圍廣。試件SW-4保溫性能優秀，內表面最大溫度位于墻體邊緣為22.18℃，正對連接件處表面溫度為22.17℃。試件SW-3正對連接件處墻體內表面溫度21.74℃，墻體邊緣處溫度達到21.93℃,連接件處形成了輕微冷熱橋現象，主要作用于墻體內部，在內葉墻和保溫層界限處形成了溫度躍升，對內葉墻表面的影響有限。

3.2 溫度應力分析

提取各個試件距地面40cm處沿墻體方向的溫度繪制沿墻體方向溫度應力分布如圖3。由圖3上來看，雖然在內外葉墻和保溫層接觸的地方溫差較大，由于保溫材料自身剛度小，保溫層處的應力反而處在很小的水平。圖4是各試件溫度應力場分布圖，可以得出：在墻體受力方面，試件SW-4溫度應力最大，試件SW-2所受溫度應力最小。在墻體周邊約束的情況下，內葉墻四角受力最大，SW-2內葉墻體最大應力為42.3MPa,SW-3內葉墻最大應力43.4MPa，SW-4內葉墻最大應力為43.9MPa?？梢娫谶@種使用條件下，內葉墻承受壓力大于外葉墻，且內葉墻墻角具有開裂的風險。由于不同材料具有不同的膨脹系數，內外葉墻與保溫層之間會存在相對錯動，使連接件產生應力集中，這種現象在墻體邊緣的連接件表現更為明顯，其中鋼筋連接所受應力最大達到51.74MPa,GFRP連接件所受應力最小為20.17MPa，哈芬不銹鋼連接件最大應力為43.33MPa。墻內鋼筋所受應力最大只有8.7MPa，基本可以忽略。

(a) SW-2連接件應力分布 (b)SW-3連接件應力分布 (b)SW-3連接件應力分布

4 結 語

經過數值模擬和數據分析可以得到如下結論：

(1)采用三種連接件的墻體其熱工性能均符合《民用建筑熱工設計規范》的要求,但是GFRP連接件對溫度傳遞的阻隔作用最大，其熱工性能優于哈芬不銹鋼和鋼筋連接件。

(2)在溫度場的影響下, 應力集中于連接件在內、外墻板與保溫層連接處,GFRP連接件應力為20.17MPa，哈芬連接件所受應力43.33MPa，鋼筋連接件所受應力為51.74MPa，各連接件所受應力均小于自身材料強度。

(3)綜合來看，FRP連接件具有優秀的熱工性，且不易產生應力集中現象，工況下其溫度應力約為金屬合金連接件的50%。GFRP連接件是未來發展的方向。

(4)內葉墻墻角應力較大，在長期使用過程中可能出現開裂，因此內外葉墻采用超高性能混凝土(UHPC)的預制夾芯保溫墻板具有很高的研究價值。